一种基于三相流化床直接矿化烟气二氧化碳系统及方法

摘要

本发明一种基于三相流化床直接矿化烟气二氧化碳系统及方法，采用气液固三相流化床层，由于采用细粉颗粒，并在悬浮状态下与流体接触，液固相界面积大，有利于非均相反应的进行，提高了催化剂的利用率，加速反应进行，脱碳生成的碳酸铵与过量石膏接触迅速全部转化成碳酸钙，实现了单塔二氧化碳脱除和石膏矿化过程；流化床层设计十分有利于石膏颗粒和碳酸钙颗粒的分离，显著提高了石膏的利用率和碳酸钙的纯度。

说明书

技术领域

本发明属于大气污染物净化领域，涉及一种基于三相流化床直接矿化烟气二氧化碳系统及方法。

背景技术

温室气体对全球气候构成了严重影响，二氧化碳减排的需求显著加大，目前，燃煤电厂碳排放占我国总排放量是最大的CO

目前，燃煤机组烟气脱碳主要为碳捕集、利用与存储(CCUS)技术。利用有机胺作吸收剂，与烟气中的二氧化碳反应生成水溶性盐，再加热吸收液，实现二氧化碳的释放与捕集，同时再生吸收液，该技术存在能耗大、经济效益低，及次生污染等问题，捕集的二氧化碳多用来地质封存及驱油，存在二次泄露的问题，因此，急需开发高效低成本的烟气脱碳及资源化利用技术。

目前，由于脱硫石膏品质低，产量大，难以资源化利用，通常采用堆放和填埋处理，既占用土地又污染环境，是亟待处理的一种工业固废。烟气二氧化碳直接矿化石膏联产硫酸铵和碳酸钙技术一直是研究热点，但是现有技术都未涉及耦合湿法脱硫系统的碳捕集、利用工艺技术开发，未涉及脱硫系统钙循环的工艺技术研究。

发明内容

针对现有技术中存在未涉及耦合湿法脱硫系统的碳捕集、利用工艺技术开发，未涉及脱硫系统钙循环的工艺技术研究的问题，本发明提供一种基于三相流化床直接矿化烟气二氧化碳系统及方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于三相流化床直接矿化烟气二氧化碳系统，其特征在于，包括三相流化床吸收塔、硫酸铵结晶生成装置和碳酸钙生成装置；

所述碳酸钙生成装置包括碳酸钙旋流器、石膏浆液罐和输氨管；

所述三相流化床吸收塔从下至上依次布置有硫酸铵浓缩喷淋区、三相流化反应区和除雾区；

硫酸铵浓缩喷淋区底部设置有浆液池，顶部设置有浓缩喷淋层；浆液池连接硫酸铵结晶生成装置；

三相流化反应区底部从下至上依次设置有气体分布板、补氨管栅和石膏浆液管栅，补氨管栅的出口竖直向下且其输入端接入输氨管，石膏浆液管栅的出口竖直向上且其输入端连接石膏浆液罐的底部输出端；且三相流化反应区上部侧壁设置有碳酸钙排出口并接入碳酸钙旋流器的侧切入口；

除雾区从下至上依次设置有除雾器和工艺水喷淋层。

进一步，所述浆液池位于脱硫烟气入口下方。

进一步，硫酸铵结晶生成装置包括硫酸铵排出泵、硫酸铵旋流器和离心机；

硫酸铵旋流器的侧切入口经硫酸铵排出泵连接浆液池的硫酸铵结晶出口，底部出口连接离心机的输入端；

离心机的液相出口与硫酸铵旋流器的顶部出口合流，并经回流泵接入浆液池的硫酸铵浆液回流口。

进一步，所述碳酸钙旋流器的顶部出口依次连接蒸发除氨器和真空皮带机，底部出口连接石膏浆液罐的顶部输入端。

进一步，所述除氨器的氨出口接入输氨管，固相出口接入真空皮带机。

进一步，所述输氨管的输入端连接有氨罐。

进一步，所述真空皮带机的滤液出口经滤液泵接入浆液池。

进一步，所述石膏浆液罐侧壁连接有脱硫石膏浆液管，用于补充石膏浆液。

一种基于三相流化床直接矿化烟气二氧化碳方法，包括以下步骤：

脱硫烟气经脱硫烟气入口进入硫酸铵浓缩喷淋区，与喷淋液充分接触放热后进入三相流化反应区，形成放热脱硫烟气；

三相流化反应区中液相组分通过补氨管栅补充的氨水，固相组分是通过石膏浆液管栅补充的石膏颗粒，放热脱硫烟气穿过气体分布板时形成气泡，气泡中的二氧化碳与石膏浆液强烈混合进行反应，生成碳酸钙颗粒；

由于碳酸钙颗粒的密度小于石膏颗粒密度，碳酸钙颗粒会集聚于三相流化反应区上部，并通过碳酸钙排出口排至碳酸钙生成装置；

放热脱硫烟气中的二氧化碳在三相流化反应区中被脱除产生净烟气，经过除雾器和工艺水喷淋层处理后实现净排放。

进一步，所述三相流化反应区通过进入氨气的量进行pH的控制，控制范围为8-10。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种基于三相流化床直接矿化烟气二氧化碳系统，采用气液固三相流化床层，由于采用细粉颗粒，并在悬浮状态下与流体接触，液固相界面积大，有利于非均相反应的进行，提高了催化剂的利用率，加速反应进行，脱碳生成的碳酸铵与过量石膏接触迅速全部转化成碳酸钙，实现了单塔二氧化碳脱除和石膏矿化过程；流化床层设计十分有利于石膏颗粒和碳酸钙颗粒的分离，显著提高了石膏的利用率和碳酸钙的纯度。

进一步，本发明中的硫酸铵晶体生成装置依次连接碳酸钙旋流器和蒸发除氨器，碳酸钙旋流器高速旋转，将石膏浆液导流至结晶槽继续参与反应，节约成本，提高利用率，碳酸钙导流至蒸发除氨器，并得到固体碳酸钙和滤液，其中滤液导流至下部冷却段的浆液池循环利用。

进一步，硫酸铵晶体生成装置对下部冷却段浆液池内的硫酸铵浆液，通过硫酸铵旋流器和离心机，并配合脱硫烟气余热，可实现硫酸铵的蒸发晶体，硫酸铵主要作用于肥料，适用于各种土壤和作物，同时还可用于纺织、皮革、医药等方面，本系统设计合理，能够降低生产成本。

本发明一种基于三相流化床直接矿化烟气二氧化碳方法，三相流化状态，反应气体组分是脱硫烟气中二氧化碳，液相组分通过补氨管栅补充的氨水，固相组分是通过石膏浆液管栅补充的石膏颗粒，放热脱硫烟气穿过气体分布板时气体流速快，形成气泡与浆液强烈混合，流态化翻滚加速气液固反应；由于碳酸钙颗粒的密度小于石膏颗粒密度，气液固三相流化床层底部富集石膏颗粒密度，上层富集生成的碳酸钙颗粒并排至碳酸钙生成装置；烟气中的二氧化碳在三相流化反应区中被脱除，经过除雾器和工艺水喷淋层后实现净排放。本方法能够提高CO

附图说明

图1为本发明实例中一种基于三相流化床直接矿化烟气二氧化碳系统的结构流程示意图。

图中：三相流化床吸收塔30，硫酸铵结晶生成装置31，碳酸钙生成装置33，硫酸铵浓缩喷淋区301，三相流化反应区302，除雾区303，工艺水喷淋层1，除雾器2，三相流化床吸收塔3，石膏浆液管栅4，补氨管栅5，气体分布板6，浓缩喷淋层7，吸收液排出泵8，氨蒸发器9，碳酸钙旋流器10，真空皮带机11，石膏浆液罐12，脱硫石膏浆液管13，氨补给泵14，氨罐15，石膏补给泵16，滤液泵17，硫酸铵旋流器18，回流泵19，离心机20，硫酸铵排出泵21，浓缩循环泵22。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种基于三相流化床直接矿化烟气二氧化碳系统，包括三相流化床吸收塔30、硫酸铵结晶生成装置31和碳酸钙生成装置33；

所述碳酸钙生成装置33包括碳酸钙旋流器10、石膏浆液罐12和输氨管；

所述三相流化床吸收塔30沿高度方向从下至上依次设置有硫酸铵浓缩喷淋区301、三相流化反应区302和除雾区303，硫酸铵浓缩喷淋区301底部设置有浆液池，顶部设置有浓缩喷淋层7；具体的，浆液池位于脱硫烟气入口下方，浆液池侧壁从下至上依次设置有硫酸铵结晶出口、硫酸铵浆液回流口、硫酸铵循环入口和硫酸铵喷淋循环出口，硫酸铵出口经硫酸铵结晶生成装置31接回至硫酸铵浆液回流口，硫酸铵循环入口用于接回碳酸钙生成装置33滤液，硫酸铵喷淋循环出口连接浓缩喷淋层7的输入端。

具体的，硫酸铵结晶生成装置31包括硫酸铵排出泵21、硫酸铵旋流器18和离心机20；硫酸铵旋流器18侧切入口经硫酸铵排出泵21连接浆液池的硫酸铵结晶出口，顶部出口连接三相流化床吸收塔30浆液池的的硫酸铵浆液回流口，底部出口连接离心机20的输入端；离心机20液相出口与硫酸铵旋流器18的顶部出口合流，并通过回流泵19连接三相流化床吸收塔30浆液池的硫酸铵浆液回流口。形成对硫酸铵浓缩喷淋区底部浆液池中硫酸铵的循环过程，同时，由于脱硫烟气的温度较高，利用余热，可以实现对硫酸铵的蒸发结晶，硫酸铵主要作用于肥料，适用于各种土壤和作物，同时还可用于纺织、皮革、医药等方面，本系统设计合理，能够降低生产成本。

三相流化反应区302底部沿高度方向从下至上依次设置有气体分布板6、补氨管栅5和石膏浆液管栅4，补氨管栅5的出口竖直向下，石膏浆液管栅4的出口竖直向上，由于碳酸钙颗粒的密度小于石膏颗粒密度，因此石膏浆液颗粒会聚集在三相流化反应区302底部的分布板6，并对底部分布板6进行覆盖，以便于能够与进入三相流化反应区302的放热脱硫烟气进行充分的反应，三相流化反应区302的上层会富集生成的碳酸钙颗粒，能够使得反应物在悬浮状态下与流体接触，流固相界面积大，有利于非均相反应的进行，能够提高催化剂的利用率，加速反应进行，能够实现单塔二氧化碳脱除和石膏矿化过程；流化床层设计十分有利于石膏颗粒和碳酸钙颗粒的分离，显著提高了石膏的利用率和碳酸钙的纯度。

补氨管栅5的输入端接入输氨管，石膏浆液管栅4的输入端连接石膏浆液罐12的底部输出端；且三相流化反应区302上部侧壁设置有碳酸钙排出口并接入碳酸钙旋流器10的侧切入口。

具体的，碳酸钙生成装置33包括碳酸钙旋流器10和石膏浆液罐12；三相流化反应区302的碳酸钙排出口设置有吸收液排出泵8并连接碳酸钙旋流器10的侧切入口，碳酸钙旋流器10固相出口依次连接蒸发除氨器9和真空皮带机11，液相出口连接石膏浆液罐12的顶部输入端；石膏浆液罐12底部输出端经石膏补给泵16连接石膏浆液管栅4的输入端；其中，真空皮带机11过滤的出的碳酸钙固体返回脱硫系统作为脱硫原料，形成循环利用系统。同时，石膏浆液罐12侧壁接入脱硫石膏浆液管13，用于补充石膏浆液。

吸收液排出泵8从流化床层上部抽出吸收液，进入碳酸钙旋流器10进行分层，碳酸钙旋流器10底部浆液含有未反应的石膏颗粒，通过液相出口进入石膏浆液罐12返回流化床层继续反应，碳酸钙旋流器10分离的上部浆液进入氨蒸发器9除去氨，具体的，蒸发器9除去氨经过输氨管接入补氨管栅5的输入端，对氨气进行循环利用，同时，输氨管还连接有氨罐15，且氨罐15的出氨口设置有氨补给泵14，用于调节三相流化反应区302内部的pH值；蒸发器9的固相出口连接真空皮带机11，真空皮带机11过滤的固体是碳酸钙固体，滤液通过滤液泵17进入硫酸铵浓缩喷淋区301的浆液池；能够节约成本，提高利用率。

除雾区303沿高度方向从下至上依次设置有除雾器2和工艺水喷淋层1，可形成对极少数逃逸有害物质进行过滤。

本发明一种基于三相流化床直接矿化烟气二氧化碳方法，脱硫后的烟气由三相流化床吸收塔30下部脱硫烟气入口进入硫酸铵喷淋区301，与循环喷淋的硫酸铵溶液逆流接触，利用脱硫烟气的余热，实现对硫酸铵溶液不断蒸发浓缩，同时，烟气被降温至20℃-30℃，

放热脱硫烟气穿过气体分布板6，进入三相流化反应区302，该区域内处于气液固三相流化状态，放热脱硫烟中参与化学反应气体组分是烟气中二氧化碳，液相组分是通过补氨管栅5补充的氨水，固相组分是通过石膏浆液管栅4补充的石膏颗粒；具体的，放热脱硫烟气穿过气体分布板6时气体流速快，形成气泡，气泡与石膏浆液强烈混合效果，流态化翻滚能够加速气液固反应，化学反应为CO

CO

由于碳酸钙颗粒的密度小于石膏颗粒密度，气液固三相流化床层底部富集石膏颗粒密度，上层富集生成的碳酸钙颗粒；烟气中的二氧化碳在三相流化反应区302中被脱除形成净烟气，经过除雾器2和工艺水喷淋层1后实现净排放。

吸收液排出泵8从流化床层上部抽出碳酸钙颗粒，进入碳酸钙旋流器10进行分层，碳酸钙旋流器10底部浆液含有未反应的石膏颗粒，进入石膏浆液罐12返回流化床层继续反应，碳酸钙旋流器10分离的上部浆液进入氨蒸发器9除去氨，再进入真空皮带机11过滤，过滤得到碳酸钙固体，滤液通过滤液泵17进入硫酸铵浓缩喷淋区301的浆液池。

在硫酸铵结晶生成装置31中，三相流化床吸收塔30底部的含固浆液池，通过硫酸铵排出泵21打入硫酸铵旋流器18中分层，硫酸铵旋流器18底部浆液进入离心机20分离固体硫酸铵，离心机20的滤液和硫酸铵旋流器18的浆液通过回流泵19打回塔底部浆液池中循环利用。

具体的，三相流化床吸收塔30中的三相流化反应区302浆液的pH通过氨补给泵14调控，pH的控制范围是8-10。

具体的，氨蒸发器9中的热源是热烟气或者是热蒸汽中的一种，其中，由于硫酸钙的不稳定性，氨蒸发器9内的除氨浆液温度控制在50℃-70℃之间。

具体的，硫酸铵浓缩喷淋区301的硫酸铵浆液中固含量大于10％时，启动硫酸铵排出泵21，抽取硫酸铵溶液进入硫酸铵结晶生成装置31，实现对硫酸铵溶液的分离结晶。